加压技术作为高氮奥氏体不锈钢制备的重要技术之一,具备改善铸锭的凝固组织和缺陷等优势,在高品质高氮奥氏体不锈钢的研发和生产过程中具有广阔的应用前景。目前,加压技术制备高氮奥氏体钢的研究主要集中在冶炼方面,对于加压凝固过程的研究鲜有报道。压力作为重要的参数之一,可以改变凝固过程中的热力学和动力学参数。本文利用Thermo-Calc热力学模块、DICTRA动力学模块和ProCAST软件对19Cr-18Mn-2Mo-0.9N高氮奥氏体不锈钢凝固过程热力学和动力学进行理论分析,并结合铸锭组织和成分检测,研究了压力对铸锭组织缺陷和偏析的影响,为加压技术在高氮奥氏体不锈钢的工业化生产提供理论支撑。本文的主要研究内容及结论如下:(1)Thermo-Calc和DICTRA软件计算结果表明,压力对19Cr-18Mn-2Mo-0.9N钢种平衡相图中各相区域、析出温度、相析出先后顺序和相析出含量均有影响;随着凝固压力的提高,C、Si、Cr和N元素的平衡分配系数增加,Mn和Mo元素的平衡分配系数减小,C、Si、Cr和Mn元素的扩散系数增加,Mo和N元素的扩散系数降低;体系体积降低,体系密度增大;加压有助于减小临界形核半径,提高形核速率,增大氮溶解度,避免“铁素体阱”的出现,进而抑制氮析出。(2)通过合理匹配氮化合金加入量、冶炼压力和浇铸压力,利用25kg加压感应炉冶炼了不同凝固压力下(0.15MPa、1.0MPa 和 2.0MPa)的 19Cr-18Mn-2Mo-0.9N 铸锭,开发了一种分阶段冶炼高氮奥氏体不锈钢的方法,实现了钢中氮含量的控制,并结合热电偶测温实验测量了铸锭和铸模的冷却曲线,阐明了压力强化冷却的机理。(3)组织检测和模拟结果表明,铸锭气孔和疏松的形成随着凝固压力的提高而减少,当压力高于1.0MPa时,气孔消失。平衡凝固和Scheil凝固模型计算结果表明,凝固过程中氮临界形核压力的最大值介于0.702 MPa和1.347MPa之间。ProCAST模拟结果表明,加压可以通过改善铸锭-铸模的换热系数来减小疏松的形成范围。此外,加压有助于减小铸锭二次枝晶间距和晶粒尺寸,细化凝固组织。(4)结合成分检测、Thermo-Calc和DICTRA模拟计算分析,探讨了偏析随凝固压力的变化规律。实验结果表明,在实验压力下N、Cr和Mn无明显的宏观偏析,Mo存在一定程度的宏观偏析,增加压力对C、Si、Cr和Mn元素的枝晶偏析影响不大,但加重了 N和Mo元素的枝晶偏析;模拟计算表明,对于19Cr-18Mn-2Mo-0.9N体系,加压通过强化冷却加重了 C、Cr、Mn、Mo和N元素的微观偏析。